JP2009033892A

JP2009033892A - 独立電源システム

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Publication number: JP2009033892A
Application number: JP2007196344A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Maekawa; 和也前川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-02-12
Also published as: EP2175543A1; CN101765956A; CN101765956B; WO2009016789A1; US20100201195A1

Abstract

【課題】蓄電池の放電禁止に伴い動作用電力の供給が絶たれて停止状態にある電源制御部を、自然エネルギーに基づく発電量の増大に応じて再起動することができる独立電源システムを提供する。
【解決手段】蓄電池４の接続端子９への放電を制御する電源制御部５１と、太陽電池２によって発電された電力を電源制御部５１の動作用電力として供給する第１電力供給部６と、蓄電池４に蓄電された電力を電源制御部５１の動作用電力として供給する第２電力供給部７と、蓄電池４の端子電圧が動作電圧閾値に満たない場合、第２電力供給部７による電源制御部５１への動作用電力の供給を禁止するスイッチング素子７２とを備え、電源制御部５１は、スイッチング素子７２がオフして動作を停止している期間中に、第１電力供給部６によって太陽電池２で発電された電力が供給された場合に起動して、スイッチング素子７２をオンさせるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽光や風力などの自然エネルギーを利用して発電した電力を蓄電池に充電するとともに、カメラやセンサ等、種々の外部負荷に電力を供給する独立電源システムに関する。

従来から太陽光や風力などの自然エネルギーを用いて蓄電を行う独立電源システムは、電力会社から電力供給を受けることなく独立して電力を供給することができる。そのため、このような独立電源システムは、電力会社が管理している電線の電気工事が必要なく、容易に屋外に設置可能な電源装置として用いられている。このような独立電源システムは、太陽電池や風車等によって、自然エネルギーに基づき発電を行うため、天候、季節、あるいは独立電源システムが設置されている地域の気候等、種々の自然環境の変化によって、発電量が変動する。

そのため、発電された電力を蓄電池に蓄電しておくことで、発電量の過不足を蓄電池の充放電により補うようになっている。このような蓄電池としては、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等、種々の二次電池が用いられる。そして、このような蓄電池は、端子電圧が所定の放電禁止電圧以下になるまで放電されると、いわゆる過放電状態となって劣化し、寿命が短くなってしまう。

一方、上述のような独立電源システムでは、自然環境の変化によって発電量が変動するため、発電量が長期間不足する場合がある。そして、発電量が長期間不足すると、蓄電池が充電されずに放電が続くため、過放電状態になって劣化してしまう。そこで、蓄電池の電圧や、周囲温度等を監視し、これらの状態が所定の条件になったときに蓄電池からの放電を禁止する制御回路を備えることで、過放電状態になることを防止するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２５４８０号公報

しかしながら、上述のような独立電源システムでは、外部から電源供給を受けることができないから、上述のような過放電防止用の制御回路も、必然的に独立電源システムの蓄電池からその動作用の電力供給を受けて動作することになる。そのため、蓄電池の過放電を防止するために放電を禁止すると、制御回路の動作用電力の供給もまた途絶えてしまうため、制御回路が動作を停止してしまう。そして、制御回路が動作を停止すると、蓄電池の電圧や発電量を監視することもできなくなる。そうすると、自然環境の変化によって再び発電量が増加しても、発電量の増加を制御回路が検知することができない結果、蓄電池の放電が禁止されたままとなって、負荷に電力を供給することができないという不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、蓄電池の放電禁止に伴い動作用電力の供給が絶たれて停止状態にある電源制御部を、自然エネルギーに基づく発電量の増大に応じて再起動することができる独立電源システムを提供することを目的とする。

本発明に係る独立電源システムは、自然エネルギーに基づいて発電を行う発電部と、前記発電部によって発電された電力を蓄電する蓄電池と、負荷を接続するための接続端子と、前記蓄電池の前記接続端子への放電を制御する電源制御部と、前記発電部によって発電された電力を、前記電源制御部の動作用電力として供給する第１動作用電力供給部と、前記蓄電池に蓄電された電力を、前記電源制御部の動作用電力として供給する第２動作用電力供給部と、前記蓄電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された動作電圧閾値に満たない場合、前記第２動作用電力供給部による前記電源制御部への動作用電力の供給を禁止する蓄電電力供給禁止部とを備え、前記電源制御部は、前記蓄電電力供給禁止部によって前記第２動作用電力供給部からの動作用電力の供給が禁止されることにより動作を停止している期間中に、前記第１動作用電力供給部によって前記発電部で発電された電力が供給された場合に起動して、前記動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止を解除する。

この構成によれば、発電部によって自然エネルギーに基づき発電された電力が、蓄電池によって蓄電される。また、電源制御部によって、蓄電池から、負荷が接続される接続端子への放電が制御される。そして、第１動作用電力供給部によって、発電部によって発電された電力が電源制御部の動作用電力として供給され、第２動作用電力供給部によって、蓄電池に蓄電された電力が電源制御部の動作用電力として供給される。さらに、電圧検出部により検出される蓄電池の端子電圧が、予め設定された動作電圧閾値に満たない場合、蓄電電力供給禁止部によって、第２動作用電力供給部による電源制御部への動作用電力の供給が禁止される。これにより、電源制御部への動作用電力の供給が絶たれて電源制御部が停止状態となり、蓄電池から電源制御部の動作用電力が供給されることがなくなるので、蓄電池が過放電状態になるおそれが低減される。また、電源制御部は、蓄電電力供給禁止部によって第２動作用電力供給部からの動作用電力の供給が禁止されることにより動作を停止している期間中に、記第１動作用電力供給部によって発電部で発電された電力が供給された場合に起動して、動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止を解除する。これにより、蓄電池の放電禁止に伴い動作用電力の供給が絶たれて停止状態にある電源制御部を、自然エネルギーに基づく発電量の増大に応じて再起動することができる。

また、前記発電部の出力電圧が予め設定された設定電圧に満たない場合、前記第１動作用電力供給部による前記電源制御部への動作用電力の供給を禁止する自然電力供給禁止部をさらに備えることが好ましい。

自然エネルギーに基づく発電量は、自然環境の変化に応じて変動するため、発電部からの電力供給量が低レベルになる場合がある。このような低レベルの電力が、第１動作用電力供給部から電源制御部へ動作用電力として供給されると、動作用電力が不十分であるために電源制御部の動作が不安定になるおそれがある。

しかしながらこの構成によれば、自然環境の変化に応じて発電部の発電量が減少し、発電部の出力電圧が予め設定された設定電圧に満たないレベルに低下すると、自然電力供給禁止部によって、第１動作用電力供給部による電源制御部への動作用電力の供給が禁止される結果、電源制御部が動作を停止する。これにより、動作用電力の供給が不十分であるために、電源制御部が不安定な動作を行うおそれが低減される。

また、前記自然電力供給禁止部は、前記第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給が禁止されている状態において、前記発電部による電力供給が所定の設定時間以上継続した場合に、当該第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給を許可することが好ましい。

自然エネルギーに基づく発電量は、自然環境の変化に応じて頻繁に変動する。特に太陽光発電や風力発電においては、悪天候の場合における発電量の変動が著しい。このような一時的な発電量の変動に伴い、電源制御部が頻繁に起動と停止とを繰り返すと、動作の安定性が損なわれるおそれがある。

しかしながらこの構成によれば、第１動作用電力供給部からの自然エネルギーに基づく動作用電力の供給が禁止されている状態において、発電部による電力供給が所定の設定時間以上継続した場合、すなわち自然環境がある程度安定していると考えられる場合に、自然電力供給禁止部によって、当該第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給が許可される。これにより、自然環境の変化に伴う一時的な発電量の変動が原因となって電源制御部が頻繁に起動と停止とを繰り返すおそれが低減されるので、電源制御部の動作の安定性が損なわれるおそれが低減される。

また、前記自然電力供給禁止部は、前記発電部の出力電圧を平滑する蓄電素子を備え、前記蓄電素子により平滑された電圧が前記設定電圧を超える場合、前記発電部による電力供給が前記設定時間以上継続したものとして、当該第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給を許可することが好ましい。

この構成によれば、自然環境の変化に基づき頻繁に変動するおそれのある発電部の出力電圧が、蓄電素子によって平滑されることにより、一時的な電圧変動が吸収される。そして、このように平滑された電圧が設定電圧を超える場合には、蓄電素子を設定電圧まで充電するために必要な設定時間以上、発電部による電力供給が継続したものと考えられるから、自然環境がある程度安定していると考えられる。従って、このような構成の自然電力供給禁止部は、一時的な電圧変動を吸収しつつ、自然環境がある程度安定していると考えられる場合に当該第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給を許可することが容易となる。

また、前記自然電力供給禁止部は、前記発電部から前記第１動作用電力供給部への電力供給経路に介設され、かつ前記蓄電素子の端子電圧がカソードに印加されると共に、前記設定電圧をツェナー電圧とするツェナーダイオードを備え、前記蓄電素子の端子電圧が前記設定電圧に満たない場合、前記ツェナーダイオードがオフすることにより、前記動作用電力の供給を禁止し、前記蓄電素子の端子電圧が前記設定電圧を超える場合、前記ツェナーダイオードがオンすることにより、前記動作用電力の供給を許可することが好ましい。

この構成によれば、自然環境の変化に基づき頻繁に変動するおそれのある発電部の出力電圧が、蓄電素子によって平滑されて、ツェナーダイオードのカソードに印加される。そうすると、蓄電素子の端子電圧、すなわち蓄電素子により平滑された電圧が設定電圧に満たない場合、ツェナーダイオードがオフして第１動作用電力供給部から電源制御部への動作用電力の供給が禁止される。一方、蓄電素子の端子電圧、すなわち蓄電素子により平滑された電圧が設定電圧を超える場合、ツェナーダイオードがオンすることにより、第１動作用電力供給部から電源制御部への動作用電力の供給が許可される。これにより、一時的な電圧変動を吸収しつつ、自然環境がある程度安定していると考えられる場合に当該第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給を許可することができる自然電力供給禁止部を、簡素な構成により実現することができる。

また、前記第１動作用電力供給部から供給される動作用電力と前記第２動作用電力供給部から供給される動作用電力とに基づいて、前記電源制御部に適した動作用電源電圧を生成し、当該電源制御部へ供給する動作用電源部をさらに備え、前記設定電圧は、前記動作用電力として当該設定電圧が前記動作用電源部に供給された場合に、前記動作用電源部が前記動作用電源電圧を生成可能な電圧に設定されていることが好ましい。

第１動作用電力供給部から供給される自然エネルギーに基づく動作用電力は、自然環境の変化に応じて変動するので、電圧が不安定となる。また、第２動作用電力供給部から動作用電力として供給される蓄電池の放電電力は、蓄電池の充電深度に応じてその電圧値が変動する。そのため、第１及び第２動作用電力供給部から供給される動作用電力は、いずれも電源制御部の動作に適した電圧値にならないおそれがあるため、電源制御部の動作が不安定になるおそれがある。

しかしながらこの構成によれば、動作用電源部によって、第１動作用電力供給部から供給される動作用電力と第２動作用電力供給部から供給される動作用電力とに基づいて、電源制御部に適した動作用電源電圧が生成され、当該電源制御部へ供給されるので、電源制御部に適した電圧の動作用電源電圧を安定して電源制御部へ供給することが可能となり、電源制御部の動作を安定化することができる。

また、前記電源制御部は、前記第２動作用電力供給部からの動作用電力供給が禁止されて動作を停止している期間中に起動した場合において、さらに前記電圧検出部によって検出される端子電圧が前記動作電圧閾値以上のとき、前記動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止を解除することが好ましい。

電源制御部が、第２動作用電力供給部からの動作用電力供給が禁止されて動作を停止している期間中に起動した場合において、もし仮に無条件で動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止を解除するとすれば、蓄電池の端子電圧が動作電圧閾値に満たないために再び蓄電電力供給禁止部によって動作用電力の供給の禁止されてしまうおそれがある。そうすると、電源制御部への電力供給の禁止と解除とが繰り返されて、電源制御部の動作が不安定になるおそれがある。

しかしながらこの構成によれば、電源制御部が、第２動作用電力供給部からの動作用電力供給が禁止されて動作を停止している期間中に起動した場合において、さらに蓄電池の端子電圧が動作電圧閾値以上になっていなければ、動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止が解除されないので、電源制御部への電力供給の禁止と解除とが繰り返されて、電源制御部の動作が不安定になるおそれが低減される。

また、前記電源制御部は、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記動作電圧閾値より高い電圧に設定された負荷遮断電圧以下の場合、前記蓄電池の前記接続端子への放電を禁止し、当該接続端子への放電を禁止している期間中に、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記負荷遮断電圧より高い電圧に設定された放電許可電圧以上になった場合、前記蓄電池の前記接続端子への放電を許可することが好ましい。

この構成によれば、電圧検出部によって検出される端子電圧が、動作電圧閾値より高い電圧に設定された負荷遮断電圧以下の場合、電源制御部によって、蓄電池の接続端子への放電が禁止される。この場合、電圧検出部によって検出される端子電圧が、動作電圧閾値より高い電圧である場合、すなわち第２動作用電力供給部からの動作用電力供給が禁止されて電源制御部が停止してしまうおそれのない場合において、電源制御部によって蓄電池の接続端子への放電が禁止されるので、蓄電池を放電禁止することの確実性を向上させることができる。また、当該接続端子への放電を禁止している期間中に、蓄電池の端子電圧が、負荷遮断電圧より高い電圧に設定された放電許可電圧以上になった場合、電源制御部によって、蓄電池の接続端子への放電が許可される。この場合、蓄電池が充電されて、端子電圧が放電許可電圧以上になった場合、負荷への電力供給が可能となる。

このような構成の独立電源システムは、発電部によって自然エネルギーに基づき発電された電力が、蓄電池によって蓄電される。また、電源制御部によって、蓄電池から、負荷が接続される接続端子への放電が制御される。そして、第１動作用電力供給部によって、発電部によって発電された電力が電源制御部の動作用電力として供給され、第２動作用電力供給部によって、蓄電池に蓄電された電力が電源制御部の動作用電力として供給される。さらに、電圧検出部により検出される蓄電池の端子電圧が、予め設定された動作電圧閾値に満たない場合、蓄電電力供給禁止部によって、第２動作用電力供給部による電源制御部への動作用電力の供給が禁止される。これにより、電源制御部への動作用電力の供給が絶たれて電源制御部が停止状態となり、蓄電池から電源制御部の動作用電力が供給されることがなくなるので、蓄電池が過放電状態になるおそれが低減される。また、電源制御部は、蓄電電力供給禁止部によって第２動作用電力供給部からの動作用電力の供給が禁止されることにより動作を停止している期間中に、記第１動作用電力供給部によって発電部で発電された電力が供給された場合に起動して、動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止を解除する。これにより、蓄電池の放電禁止に伴い動作用電力の供給が絶たれて停止状態にある電源制御部を、自然エネルギーに基づく発電量の増大に応じて再起動することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る独立電源システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す独立電源システム１は、太陽電池２（発電部）、充放電回路３、蓄電池４、制御部５、第１電力供給部６（第１動作用電力供給部）、第２電力供給部７（第２動作用電力供給部）、電圧検出部８、及び接続端子９を備えている。そして、接続端子９には、負荷１０が接続されている。独立電源システム１は、負荷１０を含んでいてもよく、負荷１０を含んだ独立した装置として構成されていてもよい。

太陽電池２は、自然エネルギーの一例である太陽光に基づき発電を行う発電部である。太陽電池２は、その発電電力を充放電回路３、第１電力供給部６、及び接続端子９に接続された負荷１０へ供給する。なお、発電部は、太陽電池に限られず、例えば、風力発電、水力発電、地熱発電、潮汐発電、海水の温度差発電、太陽熱発電等、種々の自然エネルギーに基づき発電を行う発電装置を用いることができる。

蓄電池４としては、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素二次電池、リチウムイオン二次電池等、種々の二次電池が用いられる。

充放電回路３は、制御部５からの制御信号に応じて蓄電池４の充放電を行う回路である。充放電回路３は、例えば太陽電池２の出力電圧を蓄電池４の充電に適した電圧に変換したり、充電電流を調節したりするＤＣ−ＤＣコンバータ等の充電回路や、太陽電池２から蓄電池４に至る充電経路及び蓄電池４から接続端子９に至る放電経路を開閉するスイッチング素子等を備えて構成されている。なお、充放電回路３は、上述のような充電回路を備えず、太陽電池２の出力電圧が直接蓄電池４に印加されて充電される構成であってもよい。

電圧検出部８は、例えばＡＤコンバータを用いて構成されている。電圧検出部８は、蓄電池４の端子電圧を検出し、その電圧値を制御部５へ出力する。

接続端子９は、太陽電池２や蓄電池４の出力電力を負荷１０へ供給するための接続端子である。接続端子９は、負荷１０を接続するものであればよく、例えば端子台やコネクタであってもよく、ランドやパッド等の配線パターンであってもよい。

負荷１０は、太陽電池２によって発電された電力で駆動される負荷回路である。負荷１０は、特に限定されないが、例えば定点観測用のＷｅｂカメラ、温度センサ、湿度センサ、街路灯、道路標識等を好適に用いることができる。

制御部５は、充放電回路３へ制御信号を出力して充放電回路３の動作を制御することにより、蓄電池４の充放電を制御する。第１電力供給部６は、蓄電池４によって発電された電力を、制御部５の動作用電力として供給する。第２電力供給部７は、蓄電池４に蓄電された電力を、制御部５の動作用電力として供給する。

図２は、図１に示す制御部５、第１電力供給部６、及び第２電力供給部７の構成の一例を示すブロック図である。図２に示す制御部５は、電源制御部５１と、レギュレータ５２（動作用電源部）とを備えている。図２に示す第１電力供給部６は、ダイオード６１から構成されている。そして、太陽電池２の出力電圧が、ダイオード６１を介してレギュレータ５２に印加されるようになっている。ダイオード６１は、蓄電池４から出力された電流が、第１電力供給部６を介して太陽電池２や負荷１０へ逆流することを防止する。

図２に示す第２電力供給部７は、スイッチング素子７１、スイッチング素子７２（蓄電電力供給禁止部）、及びダイオード７３を備えて構成されている。スイッチング素子７１は、例えばバイポーラトランジスタである。スイッチング素子７２は、例えばＦＥＴ（Field Effect Transistor）である。そして、蓄電池４の出力電圧が、ダイオード７３、及びスイッチング素子７２を介してレギュレータ５２に印加されるようになっている。

また、スイッチング素子７２のゲートは、スイッチング素子７１を介してグラウンドに接続されており、スイッチング素子７１のベースは電源制御部５１に接続されている。これにより、例えば電源制御部５１からの制御信号に応じてスイッチング素子７１がオンされると、スイッチング素子７２のゲートがローレベルになってスイッチング素子７２がオンするようになっている。ダイオード７３は、太陽電池２から出力された電流が、ダイオード６１とスイッチング素子７２とを介して蓄電池４へ逆流することを防止する。

レギュレータ５２は、第１電力供給部６及び第２電力供給部７から供給される電力に基づいて、電源制御部５１に適した動作用電源電圧を生成し、当該電源制御部５１へ供給する。

電源制御部５１は、例えば所定の演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）と、所定の制御プログラムが記憶された不揮発性のＲＯＭ（Read Only Memory）と、データを一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、その周辺回路等とを備えて構成されている。

そして、電源制御部５１は、例えばＲＯＭに記憶された制御プログラムを実行することにより、電圧検出部８によって検出された蓄電池４の端子電圧や、例えば図略の温度センサによって検出された蓄電池４の温度や外部環境温度等を監視して、蓄電池４が過充電されそうになると充放電回路３によって充電を禁止させ、蓄電池４が過放電されそうになると充放電回路３によって放電を禁止させることによって、蓄電池４の過充電及び過放電を防止する。

また、電源制御部５１は、電圧検出部８によって検出される蓄電池４の端子電圧Ｖｂが、予め設定された動作電圧閾値Ｖｔｈに満たない場合、スイッチング素子７１をオフさせることによりスイッチング素子７２をオフさせる。そうすると、例えば夜間、太陽電池２による発電量がゼロの場合に、蓄電池４の放電が進んで端子電圧Ｖｂが動作電圧閾値Ｖｔｈを下回ると、電源制御部５１によってスイッチング素子７２がオフされ、レギュレータ５２からの電源制御部５１の動作用電力の供給が途絶えて、電源制御部５１が停止する。これにより、蓄電池４による電源制御部５１の動作用電力の放電が禁止され、電源制御部５１が過放電状態になるおそれが低減される。

図３、図４は、図２に示す電源制御部５１の動作の一例を示すフローチャートである。まず、電源制御部５１によって、電圧検出部８により検出された蓄電池４の端子電圧Ｖｂと、蓄電池４の過放電を防止するために放電を停止すべき電圧として予め設定された負荷遮断電圧Ｖｏｆｆとが比較される（ステップＳ１）。

そして、端子電圧Ｖｂが負荷遮断電圧Ｖｏｆｆ以下になると（ステップＳ１でＹＥＳ）、電源制御部５１は、充放電回路３へ、接続端子９（及び接続端子９に接続された負荷１０）への放電の禁止を指示する制御信号を出力することによって、蓄電池４から接続端子９（及び接続端子９に接続された負荷１０）への電力供給を禁止する（ステップＳ２）。これにより、充放電回路３によって、例えば蓄電池４から接続端子９に至る放電経路が遮断される等して、蓄電池４の負荷１０への放電が禁止され、蓄電池４が過放電状態になるおそれが低減される。

次に、電源制御部５１によって、電圧検出部８により検出された蓄電池４の端子電圧Ｖｂと、負荷遮断電圧Ｖｏｆｆより低い電圧に予め設定された動作電圧閾値Ｖｔｈとが比較される（ステップＳ３）。そして、端子電圧Ｖｂが動作電圧閾値Ｖｔｈ以上であれば（ステップＳ３でＮＯ）、さらに、電源制御部５１によって、電圧検出部８により検出された蓄電池４の端子電圧Ｖｂと、負荷遮断電圧Ｖｏｆｆより高い電圧に予め設定された放電許可電圧Ｖｏｎとが比較される（ステップＳ４）。放電許可電圧Ｖｏｎとしては、例えば蓄電池４における使用に適した電圧範囲の下限電圧が設定される。

そして、端子電圧Ｖｂが放電許可電圧Ｖｏｎに満たなければ（ステップＳ４でＮＯ）、まだ蓄電池４は、過放電に近く、使用に適さない低充電深度状態にあるから、ステップＳ２へ戻って蓄電池４の負荷１０への放電禁止が継続される。一方、例えば太陽電池２に太陽光が照射される等して太陽電池２によって発電された電力が、充放電回路３によって蓄電池４に充電されて端子電圧Ｖｂが上昇し、端子電圧Ｖｂが放電許可電圧Ｖｏｎ以上になると（ステップＳ４でＹＥＳ）、蓄電池４を放電してもすぐには過放電にならないと考えられる。

そこで、端子電圧Ｖｂが放電許可電圧Ｖｏｎ以上になると（ステップＳ４でＹＥＳ）、電源制御部５１は、充放電回路３へ、蓄電池４から接続端子９（及び接続端子９に接続された負荷１０）への放電を許可する旨の制御信号を出力する。そうすると、充放電回路３によって、例えば蓄電池４から接続端子９に至る放電経路を遮断しているスイッチング素子がオンされる等して、蓄電池４から負荷１０への電力供給が開始され（ステップＳ５）、再びステップＳ１〜Ｓ５の処理が繰り返される。

ところで、例えば夜間等で太陽電池２による発電量が略ゼロであったり、あるいは電源制御部５１を動作させるために必要な電力に満たなかったりする場合、電源制御部５１は、蓄電池４、第２電力供給部７、及びレギュレータ５２によって供給される電力によって、動作している。そのため、充放電回路３によって蓄電池４の負荷１０への放電が禁止されていても、蓄電池４は、電源制御部５１の動作用電力を供給するために、わずかながら放電している。そして、蓄電池４の端子電圧Ｖｂは、蓄電池４の放電に伴い徐々に低下する。

そして、ステップＳ３において、蓄電池４の放電が進んで端子電圧Ｖｂが動作電圧閾値Ｖｔｈを下回ると（ステップＳ３でＹＥＳ）、電源制御部５１によってスイッチング素子７２がオフされる（ステップＳ６）。そうすると、レギュレータ５２からの電源制御部５１の動作用電力の供給が途絶えて、電源制御部５１が停止する（ステップＳ７）。これにより、蓄電池４による電源制御部５１の動作用電力の放電が禁止され、電源制御部５１が過放電状態になるおそれが低減される。

このように電源制御部５１が停止している状態（ステップＳ７）において、例えば太陽光が太陽電池２に照射される等して太陽電池２によって発電が行われると、独立電源システム１には、第１電力供給部６が設けられているので、太陽電池２の発電電力がダイオード６１を介してレギュレータ５２へ供給される。そして、太陽電池２から供給される電力量が、電源制御部５１の動作可能な電力量に達すると、レギュレータ５２によって、太陽電池２の出力電圧が電源制御部５１の動作に適した電圧に昇降圧されて、動作用電源電圧Ｖｏｐが生成される。そして、このように生成された動作用電源電圧Ｖｏｐが電源制御部５１へ供給される。

電源制御部５１は、動作用電源電圧Ｖｏｐが供給されると例えば図略のリセット回路によってリセットが解除され、起動される（ステップＳ１１）。このように、独立電源システム１は、第１電力供給部６を備えることによって、蓄電池４の放電禁止に伴い動作用電力の供給が絶たれて停止状態にある電源制御部５１を、自然エネルギーに基づく発電量の増大に応じて自動的に再起動することができる。

電源制御部５１が起動されると、電源制御部５１によって、電圧検出部８により検出された蓄電池４の端子電圧Ｖｂと、動作電圧閾値Ｖｔｈとが比較される（ステップＳ１２）。そして、端子電圧Ｖｂが動作電圧閾値Ｖｔｈ以上であれば（ステップＳ１２でＹＥＳ）、電源制御部５１によって、スイッチング素子７１がオンされて、スイッチング素子７２がオンする（ステップＳ１３）。スイッチング素子７２がオンすると、蓄電池４の出力電力がレギュレータ５２へ供給可能にされる。そうすると、蓄電池４の出力電力に基づき電源制御部５１を動作させることが可能となる。以下、ステップＳ１〜Ｓ１３の処理が繰り返される。

これにより、例えば太陽光が雲に遮られる等、自然環境の変化に応じて太陽電池２の発電量が低下した場合であっても、蓄電池４の出力電力に基づき電源制御部５１を安定動作させることが可能となる。

このように、蓄電池４の放電禁止に伴い動作用電力の供給が絶たれて停止状態にある電源制御部５１を、自然エネルギーに基づく発電量の増大に応じて自動的に再起動することができるので、蓄電池４を過充電や過放電から保護しつつ、独立電源システム１を使い続けることが可能となる。

なお、もし仮に、ステップＳ１２を実行せず、電源制御部５１が起動された後に必ずスイッチング素子７２をオンすることとすれば、端子電圧Ｖｂが動作電圧閾値Ｖｔｈに満たない場合には、再びステップＳ３からステップＳ６へ移行してスイッチング素子７２がオフされた後、すぐにステップＳ１３においてスイッチング素子７２がオンされ、このようにスイッチング素子７２のオン、オフが繰り返される。そうすると、スイッチング素子７２のオン、オフに伴いレギュレータ５２に入力される電圧が変動し、レギュレータ５２から電源制御部５１へ供給される動作用電源電圧Ｖｏｐにノイズが乗って、電源制御部５１の動作が不安定になるおそれがある。

しかしながら、図１に示す独立電源システム１では、ステップＳ１２の処理により、端子電圧Ｖｂが動作電圧閾値Ｖｔｈ以上になるまでスイッチング素子７１はオンされないので、不必要なスイッチング素子７１のオン、オフ動作を回避して、電源制御部５１の動作の安定性が損なわれるおそれを低減することができる。

本実施例では太陽電池による蓄電を行っているが、風力発電や、地熱発電など他の自然エネルギーによる蓄電であっても同様の効果を得ることができる。また、蓄電池としてはニッケル水素電池やリチウムイオン電池など様々な電池を使用することができ、電池の種類によらず同様の効果を得ることができる。負荷としては、カメラや温度センサ、湿度センサなどがあるが、負荷の種類によらず同様の効果を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る独立電源システムについて説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る独立電源システム１ａにおける、制御部５、第１電力供給部６、第２電力供給部７、及び自然電力供給禁止部１１の構成の一例を説明するためのブロック図である。本発明の第２の実施形態に係る独立電源システム１ａは、独立電源システム１とは、自然電力供給禁止部１１をさらに備える点で異なる。

図５に示すように、独立電源システム１ａにおける自然電力供給禁止部１１は、太陽電池２と第１電力供給部６との間に介設されている。図５に示す自然電力供給禁止部１１は、ツェナーダイオード１２と、キャパシタ１３（蓄電素子）とを備えている。なお、キャパシタ１３の代わりに二次電池を蓄電素子として備えてもよい。ツェナーダイオード１２は、カソードが太陽電池２に接続され、アノードがダイオード６１のアノードに接続されている。また、ツェナーダイオード１２のカソードは、キャパシタ１３を介してグラウンドに接続されている。

ところで、一般的に、レギュレータ５２が予め設定された動作用電源電圧Ｖｏｐを生成するためには、レギュレータ５２の仕様上定められた規定電圧以上の電圧が入力される必要がある。入力電圧がレギュレータ５２の規定電圧に満たない場合、例え昇圧型のスイッチングレギュレータであったとしても、規定の動作用電源電圧Ｖｏｐを生成することができず、動作用電源電圧Ｖｏｐに満たない低電圧が電源制御部５１へ供給されるおそれがある。

そして、このような動作用電源電圧Ｖｏｐに満たない低電圧が電源電圧として電源制御部５１へ供給されると、電源制御部５１を構成するＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ等が正常に動作せず、電源制御部５１が誤動作するおそれがある。

一方で、太陽電池や風力発電機等、自然エネルギーに基づく発電装置は、自然環境の変化に応じて頻繁に発電量が変動し、発電量が非常に低いレベルに低下してしまうことも避けられない。そのため、図１，図２に示す独立電源システム１では、自然環境の変化に応じて太陽電池２の発電量が低下すると、電源制御部５１が誤動作するおそれがある。

レギュレータ５２を備えず、第１電力供給部６から直接電源制御部５１へ動作用電源電圧が供給される構成では、なおさら太陽電池２の発電量の低下にともない電源制御部５１が誤動作するおそれが増大する。

そこで、図５に示す自然電力供給禁止部１１では、レギュレータ５２によって動作用電源電圧Ｖｏｐを生成可能な電圧（あるいは電源制御部５１が正常動作可能な電圧）である設定電圧が、ツェナーダイオード１２のツェナー電圧として設定されている。そうすると、太陽電池２の出力電圧が上記設定電圧に満たない場合、ツェナーダイオード１２がオフして太陽電池２の出力電力が第１電力供給部６へ供給されなくなる結果、第１電力供給部６によるレギュレータ５２への動作用電力の供給が禁止される。これにより、自然環境の変化に応じて太陽電池２の発電量が低下した場合であっても、電源制御部５１が誤動作するおそれが低減される。

また、自然エネルギーに基づく発電装置は、自然環境の変化に応じて頻繁に発電量が変動する。特に太陽光発電や風力発電においては、悪天候の場合における発電量の変動が著しい。このような一時的な発電量の変動に伴い、電源制御部５１が頻繁に起動と停止とを繰り返すと、動作の安定性が損なわれるおそれがある。

一方、図５に示す自然電力供給禁止部１１では、太陽電池２の出力電圧がキャパシタ１３によって平滑されて、一時的な電圧変動が吸収された電圧がツェナーダイオード１２のカソードに印加されるので、一時的な電圧変動によってツェナーダイオード１２がオンするおそれが低減される。その結果、一時的な発電量の変動に伴い、電源制御部５１が頻繁に起動と停止とを繰り返すおそれが低減されて、動作の安定性が損なわれるおそれが低減される。

また、図５に示す自然電力供給禁止部１１では、ツェナーダイオード１２のカソード電圧は、キャパシタ１３の充電電圧に等しい。従って、太陽電池２による電力供給が、キャパシタ１３の容量によって設定される所定の設定時間以上継続することによって、キャパシタ１３が充電されて、ツェナーダイオード１２のカソード電圧がツェナー電圧以上となる結果、ツェナーダイオード１２がオンする。そして、ツェナーダイオード１２がオンすると、太陽電池２の発電電力が第１電力供給部６を介してレギュレータ５２へ供給され、すなわち、レギュレータ５２への動作用電力の供給禁止が解除される。

これにより、太陽電池２による電力供給が所定の設定時間以上継続した場合、すなわち自然環境が安定していると考えられる場合に、ツェナーダイオード１２がオンして太陽電池２の発電電力が第１電力供給部６を介してレギュレータ５２へ供給され、レギュレータ５２から動作用電源電圧Ｖｏｐが出力されることによって、電源制御部５１が起動される結果、電源制御部５１が頻繁に起動と停止とを繰り返すおそれが低減されて、電源制御部５１の動作の安定性が損なわれるおそれが低減される。

本発明に係る自然エネルギーを用いた独立電源システムは、太陽光発電、風力発電、水力発電、地熱発電、潮汐発電、海水の温度差発電、太陽熱発電等、種々の自然エネルギーに基づき発電した電力を、定点観測用のＷｅｂカメラ、温度センサ、湿度センサ、街路灯、道路標識等、種々の負荷に供給する独立電源システムとして好適に用いることができる。

本発明の第１の実施形態に係る独立電源システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す制御部、第１電力供給部、及び第２電力供給部の構成の一例を示すブロック図である。図２に示す電源制御部の動作の一例を示すフローチャートである。図２に示す電源制御部の動作の一例を示すフローチャートである。本発明の第２の実施形態に係る独立電源システムにおける、制御部、第１電力供給部、第２電力供給部、及び自然電力供給禁止部の構成の一例を説明するためのブロック図である。

符号の説明

１，１ａ独立電源システム
２太陽電池
３充放電回路
４蓄電池
５制御部
６第１電力供給部
７第２電力供給部
８電圧検出部
９接続端子
１０負荷
１１自然電力供給禁止部
１２ツェナーダイオード
１３キャパシタ
５１電源制御部
５２レギュレータ
６１ダイオード
７１，７２スイッチング素子
７３ダイオード
Ｖｂ端子電圧
Ｖｏｆｆ負荷遮断電圧
Ｖｏｎ放電許可電圧
Ｖｏｐ動作用電源電圧
Ｖｔｈ動作電圧閾値

Claims

自然エネルギーに基づいて発電を行う発電部と、
前記発電部によって発電された電力を蓄電する蓄電池と、
負荷を接続するための接続端子と、
前記蓄電池の前記接続端子への放電を制御する電源制御部と、
前記発電部によって発電された電力を、前記電源制御部の動作用電力として供給する第１動作用電力供給部と、
前記蓄電池に蓄電された電力を、前記電源制御部の動作用電力として供給する第２動作用電力供給部と、
前記蓄電池の端子電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、予め設定された動作電圧閾値に満たない場合、前記第２動作用電力供給部による前記電源制御部への動作用電力の供給を禁止する蓄電電力供給禁止部とを備え、
前記電源制御部は、前記蓄電電力供給禁止部によって前記第２動作用電力供給部からの動作用電力の供給が禁止されることにより動作を停止している期間中に、前記第１動作用電力供給部によって前記発電部で発電された電力が供給された場合に起動して、前記動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止を解除すること
を特徴とする独立電源システム。
前記発電部の出力電圧が予め設定された設定電圧に満たない場合、前記第１動作用電力供給部による前記電源制御部への動作用電力の供給を禁止する自然電力供給禁止部をさらに備えること
を特徴とする請求項１記載の独立電源システム。
前記自然電力供給禁止部は、
前記第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給が禁止されている状態において、前記発電部による電力供給が所定の設定時間以上継続した場合に、当該第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給を許可すること
を特徴とする請求項２記載の独立電源システム。
前記自然電力供給禁止部は、
前記発電部の出力電圧を平滑する蓄電素子を備え、
前記蓄電素子により平滑された電圧が前記設定電圧を超える場合、前記発電部による電力供給が前記設定時間以上継続したものとして、当該第１動作用電力供給部からの動作用電力の供給を許可すること
を特徴とする請求項３記載の独立電源システム。
前記自然電力供給禁止部は、
前記発電部から前記第１動作用電力供給部への電力供給経路に介設され、かつ前記蓄電素子の端子電圧がカソードに印加されると共に、前記設定電圧をツェナー電圧とするツェナーダイオードを備え、
前記蓄電素子の端子電圧が前記設定電圧に満たない場合、前記ツェナーダイオードがオフすることにより、前記動作用電力の供給を禁止し、
前記蓄電素子の端子電圧が前記設定電圧を超える場合、前記ツェナーダイオードがオンすることにより、前記動作用電力の供給を許可すること
を特徴とする請求項４記載の独立電源システム。
前記第１動作用電力供給部から供給される動作用電力と前記第２動作用電力供給部から供給される動作用電力とに基づいて、前記電源制御部に適した動作用電源電圧を生成し、当該電源制御部へ供給する動作用電源部をさらに備え、
前記設定電圧は、前記動作用電力として当該設定電圧が前記動作用電源部に供給された場合に、前記動作用電源部が前記動作用電源電圧を生成可能な電圧に設定されていること
を特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の独立電源システム。
前記電源制御部は、
前記第２動作用電力供給部からの動作用電力供給が禁止されて動作を停止している期間中に起動した場合において、さらに前記電圧検出部によって検出される端子電圧が前記動作電圧閾値以上のとき、前記動作用電力供給禁止部による動作用電力の供給の禁止を解除すること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の独立電源システム。
前記電源制御部は、
前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記動作電圧閾値より高い電圧に設定された負荷遮断電圧以下の場合、前記蓄電池の前記接続端子への放電を禁止し、
当該接続端子への放電を禁止している期間中に、前記電圧検出部によって検出される端子電圧が、前記負荷遮断電圧より高い電圧に設定された放電許可電圧以上になった場合、前記蓄電池の前記接続端子への放電を許可すること
を特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の独立電源システム。